I stjärnbilden Jungfrun, 700 ljusår från jorden, kretsar planeten WASP-39b om stjärnan WASP-39. Gasjätten, som tar lite mer än fyra dagar att genomföra en omloppsbana, är en av de bäst studerade exoplaneterna. Kort efter driftsättningen i juli 2022 vände NASA:s rymdteleskop James Webb sin högprecisionsblick mot den avlägsna planeten.
Data avslöjade bevis på stora mängder vattenånga, metan och till och med, för första gången, koldioxid i atmosfären av WASP-39b. En smärre sensation, men det finns fortfarande en fluga i glädjen:forskare har ännu inte lyckats återge alla avgörande detaljer i observationerna i modellberäkningar. Detta står i vägen för en ännu mer exakt analys av data.
I den nya studien ledd av MPS visar författarna, inklusive forskare från Massachusetts Institute of Technology (USA), Space Telescope Science Institute (USA), Keele University (Storbritannien) och University of Heidelberg (Tyskland), ett sätt att övervinna detta hinder.
"Problemen som uppstår när man tolkar data från WASP-39b är välkända från många andra exoplaneter – oavsett om de observeras med Kepler, TESS, James Webb eller den framtida rymdfarkosten PLATO", förklarar MPS-forskaren Dr. Nadiia Kostogryz, första författare. av den nya studien. "Som med andra stjärnor som kretsar runt av exoplaneter, är den observerade ljuskurvan för WASP-39 plattare än vad tidigare modeller kan förklara."
Forskare definierar en ljuskurva som ett mått på en stjärnas ljusstyrka över en längre tidsperiod. En stjärnas ljusstyrka fluktuerar konstant, till exempel eftersom dess ljusstyrka är föremål för naturliga fluktuationer. Exoplaneter kan också lämna spår i ljuskurvan. Om en exoplanet passerar framför sin stjärna som ses av en observatör, dämpar den stjärnljuset.
Detta reflekteras i ljuskurvan som en regelbundet återkommande minskning av ljusstyrkan. Exakta utvärderingar av sådana kurvor ger information om planetens storlek och omloppsperiod. Forskare kan också få information om sammansättningen av planetens atmosfär om ljuset från stjärnan delas upp i dess olika våglängder eller färger.
En närmare titt på en stjärnas ljusstyrkafördelning
En stjärnas lem, kanten på stjärnskivan, spelar en avgörande roll i tolkningen av dess ljuskurva. Precis som i fallet med solen, verkar lemmen mörkare för betraktaren än det inre området. Men stjärnan lyser faktiskt inte mindre starkt längre ut. "Eftersom stjärnan är en sfär och dess yta är krökt, tittar vi in i högre och därför svalare lager vid lemmen än i mitten", förklarar medförfattare och MPS-direktör Prof. Dr. Laurent Gizon. "Det här området verkar därför mörkare för oss", tillägger han.
Det är känt att mörkare lemmar påverkar exoplanetsignalens exakta form i ljuskurvan:Nedbländningen avgör hur brant ljusstyrkan hos en stjärna sjunker under en planettransit och sedan stiger igen. Det har dock inte varit möjligt att återge observationsdata korrekt med hjälp av konventionella modeller av stjärnatmosfären. Minskningen i ljusstyrka var alltid mindre abrupt än vad modellberäkningarna föreslog.
"Det var tydligt att vi saknade en avgörande pusselbit för att förstå exoplaneternas signal exakt", säger MPS-direktör Prof. Dr. Sami Solanki, medförfattare till den aktuella studien.
Som beräkningarna publicerade idag visar, är den saknade pusselbiten stjärnmagnetfältet. Liksom solen genererar många stjärnor ett magnetfält djupt i sitt inre genom enorma flöden av het plasma. För första gången kunde forskarna nu inkludera magnetfältet i sina modeller av mörkare lemmar.
De skulle kunna visa att styrkan i magnetfältet har en viktig effekt:Lemmens mörkare är uttalad i stjärnor med ett svagt magnetfält, medan det är svagare hos dem med ett starkt magnetfält.
Forskarna kunde också bevisa att diskrepansen mellan observationsdata och modellberäkningar försvinner om stjärnans magnetfält tas med i beräkningarna. För detta ändamål vände sig teamet till utvalda data från NASA:s rymdteleskop Kepler, som fångade ljuset från tusentals och åter tusentals stjärnor från 2009 till 2018.
I det första steget modellerade forskarna atmosfären av typiska Kepler-stjärnor i närvaro av ett magnetfält. I ett andra steg genererade de sedan "konstgjorda" observationsdata från dessa beräkningar. Som en jämförelse med de verkliga data visade, genom att inkludera magnetfältet, reproduceras Kepler-data framgångsrikt.
Teamet utvidgade också sina överväganden till data från rymdteleskopet James Webb. Teleskopet kan dela upp ljuset från avlägsna stjärnor i dess olika våglängder och på så sätt söka efter de karakteristiska tecknen för vissa molekyler i atmosfären på de upptäckta planeterna.
Det visar sig att förälderstjärnans magnetfält påverkar stjärnens lem som mörknar på olika sätt vid olika våglängder – och bör därför beaktas i framtida utvärderingar för att uppnå ännu mer exakta resultat.
"Under de senaste decennierna och åren var vägen att gå framåt i exoplanetforskningen att förbättra hårdvaran, rymdteleskopen som är designade för att söka efter och karakterisera nya världar. James Webb Space Telescope har drivit denna utveckling till nya gränser", säger Dr. Alexander Shapiro, medförfattare till den aktuella studien och chef för en forskargrupp vid MPS. "Nästa steg är nu att förbättra och förfina modellerna för att tolka denna utmärkta data", tillägger han.
För att ytterligare föra denna utveckling framåt vill forskarna nu utöka sina analyser till stjärnor som tydligt skiljer sig från solen. Dessutom erbjuder deras fynd möjligheten att använda ljuskurvorna för stjärnor med exoplaneter för att sluta sig till styrkan hos det stjärnmagnetiska fältet, som annars ofta är svårt att mäta.
Forskningen är publicerad i tidskriften Nature Astronomy .
Mer information: Nadiia M. Kostogryz et al, Magnetic origin of the discrepans between stellar limb darkening modeller och observationer, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02252-5
Journalinformation: Naturastronomi
Tillhandahålls av Max Planck Society
